教案25(推算航位導(dǎo)航系統(tǒng) )課件

1、一、磁羅經(jīng)二、陀螺羅經(jīng)三、速度計(jì)程儀四、 回聲測(cè)深儀五、自動(dòng)操舵儀課題二十五、推算航位導(dǎo)航系統(tǒng)課題二十五、推算航位導(dǎo)航系統(tǒng) 一、磁羅經(jīng) 利用自由支持的磁針在地磁作用下穩(wěn)定指北的特性，取得方位基準(zhǔn)，測(cè)出船舶航向或物標(biāo)方位的一種儀器。從構(gòu)造來分，磁羅經(jīng)有四種，即臺(tái)式、桌式、移動(dòng)式和反映式。磁羅經(jīng)有構(gòu)造簡(jiǎn)單、不依賴于電源、不易損壞和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以它至今仍然是不可缺少的航海儀器之一。磁羅經(jīng)使用時(shí)必須進(jìn)行誤差修正。誤差隨時(shí)間、地點(diǎn)、航向而變化，修正比較復(fù)雜。 二、陀螺羅經(jīng) 以陀螺儀為核心元件，指示船舶航向的導(dǎo)航設(shè)備，稱為陀螺羅經(jīng)又稱電羅經(jīng)。陀螺羅經(jīng)依靠陀螺儀的定軸性和進(jìn)動(dòng)性，借助于其控制設(shè)備和阻尼

2、設(shè)備，能自動(dòng)指北并精確跟蹤地球子午面。它的功用與磁羅經(jīng)相近，但其精度更高，而且不受地球磁場(chǎng)和鋼質(zhì)船體等鐵磁物質(zhì)的影響，是船舶指示航向基準(zhǔn)的主要設(shè)備。作為提供真北基準(zhǔn)的指向儀器。 它是根據(jù)法國(guó)學(xué)者傅科年提出的利用陀螺儀作為指向儀器的原理而制造的。德國(guó)人安許茨于年、英國(guó)人布朗于年分別制成以他們的姓氏命名的陀螺羅經(jīng)，布朗羅經(jīng)后又發(fā)展為阿馬布朗羅經(jīng)。陀螺羅經(jīng)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：既不因接近金屬面偏轉(zhuǎn)，又把向真北而北磁化。最優(yōu)良的是美國(guó)人斯佩里年所制的陀螺羅經(jīng)，后在“德拉威”號(hào)航上試驗(yàn)成功，很快就被美國(guó)海軍采用。 陀螺羅經(jīng)由主羅經(jīng)和附屬儀器兩部分組成，它正在向著尺寸小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、維修方便、操作簡(jiǎn)單的趨勢(shì)

3、發(fā)展，并能適用于大、中、小型船舶。它的靈敏部分一船都制成密封球形，并用特制的液體支承，以提高精確度和可靠性。 1、陀螺羅經(jīng)指北原理（1）自由陀螺儀及其特性 自由陀螺儀(free gyroscope)定義 陀螺儀從廣義講就是一種能繞定點(diǎn)高速旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱剛體。實(shí)用陀螺儀是高速旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱剛體及其懸掛裝置的總稱。按其懸掛裝置不同分為單自由度陀螺儀(single-degree of freedom gyro.)、二自由度陀螺儀(two-degree of freedom gyro.)和三自由度陀螺儀(three-degree of freedom gyro.)。 平衡陀螺儀(balanced gyrosc

4、ope)：若陀螺儀的重心（G）與中心（O）重合。 自由陀螺儀：重心（G）與中心（O）重合，不受任何外力矩作用的三自由度平衡陀螺儀。自由陀螺儀的結(jié)構(gòu) 由轉(zhuǎn)子(gyro wheel)、轉(zhuǎn)子軸(spin axis)（主軸）、內(nèi)環(huán)(horizontal ring)、內(nèi)環(huán)軸(horizontal axis)（水平軸）、外環(huán)(vertical ring)、外環(huán)軸(vertical axis)（垂直軸）、基座組成的。 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的方向稱為陀螺儀主軸的正端。自由陀螺儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有三個(gè)自由度，即主軸、水平軸和垂直軸；整個(gè)陀螺儀的重心與中心重合。圖8-2 自由陀螺儀1-轉(zhuǎn)子；2-內(nèi)環(huán)；3-外環(huán)；4-固定環(huán)；

5、5-基座2、陀螺羅經(jīng)應(yīng)用特點(diǎn) 電羅經(jīng)與磁羅經(jīng)相比較，陀螺羅經(jīng)的主要優(yōu)點(diǎn)：指向精度高；多個(gè)復(fù)示器，有利于船舶自動(dòng)化；不受磁干擾影響，指向誤差??；安裝位置不受限制等。主要缺點(diǎn)：必須有電源才能工作（可靠性較差）；工作原理、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 電羅經(jīng)發(fā)展趨勢(shì)是體積小型化；廣泛采用先進(jìn)技術(shù)；提高指向可靠性和使用壽命；簡(jiǎn)化維護(hù)保養(yǎng)。圖8-3 數(shù)控電羅徑 圖8-4 SC-60/120衛(wèi)星羅徑 三、速度計(jì)程儀 計(jì)量船舶航速和船舶累計(jì)航程的航海儀器。有拖曳式、轉(zhuǎn)輪式、水壓式、電磁式等多種。電磁計(jì)程儀根據(jù)電磁感應(yīng)原理來測(cè)量船舶航程。優(yōu)點(diǎn)是線性好，靈敏度較高，因此使用較廣。多普勒計(jì)程儀利用發(fā)射的聲波和接收的水底反射波之間的

6、多普勒頻移測(cè)量船舶相對(duì)于水底的航速和累計(jì)航程，精度高，但價(jià)格昂貴。1、電磁計(jì)程儀（1）測(cè)速、計(jì)程原理利用電磁感應(yīng)原理測(cè)量船舶相對(duì)水的速度和航程的計(jì)程儀。測(cè)速器件由倒“山”字型鐵芯、激磁繞組、信號(hào)電極等組成。 圖8-5 速度計(jì)程儀 計(jì)程原理：船舶的航程是航速對(duì)時(shí)間的積累，設(shè)置航速積分器，測(cè)量航程并顯示。測(cè)速、計(jì)程原理框圖： 圖8-6 測(cè)速、計(jì)程原理框圖 （2）主要組成及作用 傳感器 傳感器是電磁計(jì)程儀的測(cè)速器件，分為平面型和導(dǎo)桿型兩種。現(xiàn)多使用平面型。 作用是將非電量的航速轉(zhuǎn)換為與航速成正比的電信號(hào)，便于傳輸、放大和處理。 使用與保養(yǎng)：激磁電源要穩(wěn)定；傳感器艙室避免高溫和潮濕；進(jìn)塢時(shí)，檢查傳感器

7、電極有無損傷并進(jìn)行清潔；在熱帶海域停泊時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)給傳感器通電。 放大器組成：輸入電路、放大電路、變換電路、分頻電路、自校電路和電源電路。作用：放大傳感器送來的航速信號(hào)；抑制傳感器本身的缺陷產(chǎn)生的干擾信號(hào)；檢測(cè)放大器本身功能。 顯示器航速顯示和航程顯示。 以CDJ-5型電磁計(jì)程儀為例，由傳感器、接線箱、放大器、開關(guān)箱和顯示器五部分。2、多普勒計(jì)程儀 利用多普勒效應(yīng)測(cè)量船舶絕對(duì)速度和航程或?qū)λ畬拥乃俣群秃匠痰挠?jì)程儀。（1）測(cè)速器件 測(cè)速器件為超聲波換能器。（2）測(cè)速、計(jì)程原理 在船底安裝發(fā)射超聲波和接收反射回波的換能器，發(fā)射、接收換能器以角向海底或某一水層發(fā)射超聲波和接收反射回波。 船舶以航速

8、V航行時(shí)，航速V在超聲波發(fā)射與接收方向的分量為Vcos，接收換能器接收反射回波的多普勒頻移為： f = fT 則： V = f （測(cè)速原理公式）測(cè)得回波的多普勒頻移f，即可求得航速V。設(shè)置航速積分器就可以求得航程。圖8-7 多普勒計(jì)程儀測(cè)速、計(jì)程原理（3）多普勒計(jì)程儀的組成及各部分的主要作用 換能器 聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的器件，一般由壓電陶瓷材料制成。安裝在船底靠近龍骨并與船首尾線相平行的船舶縱剖面內(nèi)，距船首船尾留有一定的距離。換能器的發(fā)射角（波束俯角）一般約為60，使船舶沿水平方向移動(dòng)時(shí)，反射回波產(chǎn)生多普勒頻移。換能器的作用是將收發(fā)器送來的電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)發(fā)射，并接收被反射回來的超聲

9、波信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送回收發(fā)器。 收發(fā)器 包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、計(jì)算電路、補(bǔ)償電路、自校電路等單元。 發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生具有一定頻率、一定脈沖寬度和功率的電振蕩信號(hào)，送給換能器；接收系統(tǒng)、計(jì)算電路和補(bǔ)償電路將換能器送來的回波信號(hào)經(jīng)放大處理后，求得多普勒頻移并變?yōu)楹剿傩盘?hào)送給顯示器。自校電路用于判斷計(jì)程儀本身工作性能的好壞。 顯示器 雙波束多普勒計(jì)程儀不但能有效地消除船舶上下顛簸對(duì)測(cè)速的影響，還較好的消除了船舶縱搖對(duì)測(cè)速的影響和單波束計(jì)程儀的非線性測(cè)速誤差。 圖8-8 多普勒計(jì)程儀的組成 3、聲相關(guān)計(jì)程儀(acoustic correlation log) 圖8-9 聲相關(guān)計(jì)程儀原理圖 利用對(duì)水聲信

10、息的相關(guān)技術(shù)處理來測(cè)量船舶航速和累計(jì)船舶航程。 特點(diǎn)：不但能夠測(cè)量船舶速度、航程，還可以測(cè)量水深，測(cè)量精度高。聲相關(guān)計(jì)程儀組成及各部分的主要作用： 一臺(tái)聲相關(guān)計(jì)程儀主要由換能器(transducer)（發(fā)射換能器Bt和接收換能器Bf、Ba）、電子柜(electronic unit)和顯示器組成。 發(fā)射換能器Bt安裝在船底中部，由電子柜中發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號(hào)推動(dòng)，以較大的波束寬度向垂直方向和船首、船尾（雙軸聲相關(guān)計(jì)程儀還向左右舷方向發(fā)射）方向發(fā)射超聲波。安裝在船底靠近船首的接收換能器Bf和靠近船尾的接收換能器Ba ，分別接收反射回波信號(hào)并送到電子柜。 電子柜內(nèi)包括電源系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、放大器I、I

11、I和相關(guān)處理器III等。電源系統(tǒng)將船電轉(zhuǎn)換為計(jì)程儀所需要的電源；發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生具有較大功率的電信號(hào)推動(dòng)發(fā)射換能器工作；放大器I、II分別放大來自兩個(gè)接收換能器的回波信號(hào)；相關(guān)處理器III對(duì)經(jīng)放大后的兩路回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、乘法、積分等相關(guān)運(yùn)算處理，解算出航速信息、航程信息和水深信息，送給顯示器。而航速信息還送給ARPA等其他航海儀器，作為其自動(dòng)航速輸入。顯示器將電子柜解算出的航速信息、航程信息和水深信息轉(zhuǎn)換為航速、航程和水深，并以數(shù)字方式顯示。4、三種計(jì)程儀的比較與誤差分析 電磁計(jì)程儀:相對(duì)計(jì)程儀，單軸計(jì)程儀，只能測(cè)量船舶對(duì)水的縱向航速、航程。測(cè)量精度受水流、傳感器工作性能、放大器線性程度和顯示器

12、的顯示性能等影響。現(xiàn)代船舶上使用較少。 多普勒計(jì)程儀：與電磁計(jì)程儀相比較，測(cè)量精度高；門限速度??；能測(cè)船舶橫移速度，顯示方式精確m/s；能測(cè)船舶絕對(duì)速度，提供給其他航儀。測(cè)量誤差主要由于超聲波在水中的傳播速度發(fā)生變化引起的，誤差相對(duì)較?。ㄈ艟哂小八疁匮a(bǔ)償”和“鹽分補(bǔ)償”功能，誤差可忽略不計(jì)）當(dāng)水深較深超過其跟蹤水深時(shí)，計(jì)程儀只能對(duì)水層跟蹤，測(cè)量相對(duì)水層的航速、航程。 聲相關(guān)計(jì)程儀，功能比較齊全、比較先進(jìn)。它與電磁計(jì)程儀比較具有測(cè)量精度高；能夠測(cè)量絕對(duì)航速、航程；能夠測(cè)量船舶橫移速度等優(yōu)點(diǎn)。與多普勒計(jì)程儀比較，它除了具有與多普勒計(jì)程儀相同的優(yōu)點(diǎn)外，在海底跟蹤狀態(tài)下還可以測(cè)量水深，即兼有測(cè)深儀的作

13、用；測(cè)速精度不受超聲波在水中傳播速度變化的影響，比多普勒計(jì)程儀的測(cè)量精度高。多普勒計(jì)程儀和聲相關(guān)計(jì)程儀是現(xiàn)代船舶上使用最多的兩種計(jì)程儀。四、 回聲測(cè)深儀 通過測(cè)量超聲波自發(fā)射經(jīng)水底反射至接收的時(shí)間間隔來測(cè)量船舶所處位置的水深的一種水聲儀器。其主要作用是發(fā)現(xiàn)水中障礙物，以保證船舶安全航行；其次當(dāng)船舶在沿岸航行時(shí)，如果不可能用比較準(zhǔn)確的方法來測(cè)定船位，則可以利用觀測(cè)某一物標(biāo)的方位和根據(jù)當(dāng)時(shí)所測(cè)得的水深，求出近似船位。回聲測(cè)深儀除助航外，還可用來進(jìn)行水底地形的調(diào)查。如航道測(cè)繪、海圖測(cè)繪，海洋調(diào)查中水深數(shù)據(jù)都是由精密回聲測(cè)深儀提供的。圖8-10 回聲測(cè)深儀示意圖1、回聲測(cè)深儀組成及作用（1）顯示器 顯

14、示系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。 顯示系統(tǒng)：脈沖產(chǎn)生器以一定的時(shí)間間隔產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)和控制發(fā)射系統(tǒng) 發(fā)射系統(tǒng)：產(chǎn)生具有一定功率和寬度的電脈沖，推動(dòng)發(fā)射換能器工作。 觸發(fā)脈沖器：機(jī)械觸發(fā)、電磁觸發(fā)、光電觸發(fā)和數(shù)字觸發(fā)器。其中光電觸發(fā)器使用較多，數(shù)字觸發(fā)器比較先進(jìn)。 接收系統(tǒng)：將來自接收換能器的海底回波信號(hào)，經(jīng)放大處理后，控制測(cè)量顯示系統(tǒng)計(jì)算出所發(fā)射的超聲波脈沖往返船底與海底之間的時(shí)間t，并按測(cè)深原理公式計(jì)算出船底到海底的水深（垂直距離），以一定的方式顯示。 顯示方式：閃光式（轉(zhuǎn)盤式）、記錄式、數(shù)字式等。 閃光式顯示比較直觀、易讀取，不能保留水深數(shù)據(jù)，且存在零點(diǎn)誤差和時(shí)間電機(jī)轉(zhuǎn)速變化

15、引起的測(cè)量誤差； 記錄式顯示方式可記錄水深數(shù)據(jù)，較不直觀易讀，存在記錄零點(diǎn)誤差和時(shí)間電機(jī)轉(zhuǎn)速變化引起的測(cè)量誤差； 數(shù)字式顯示方式是較先進(jìn)，直觀易讀且可打印出來，不存在顯示零點(diǎn)誤差，也不采用時(shí)間電機(jī)計(jì)時(shí)。（2）換能器作用：是一種電、聲能量相互轉(zhuǎn)換裝置，分類：按作用不同：發(fā)射換能器和接收換能器；按工作原理不同：磁致伸縮換能器和電致伸縮換能器；按制造材料不同：壓電陶瓷材料（如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等）換能器和鐵磁材料（如鎳、鎳鐵合金等）換能器。安裝注意事項(xiàng)：安裝在船底龍骨左邊或右邊，距船首約1/21/3船長(zhǎng)處。表面必須水平，誤差不得超過1。換能器表面應(yīng)保持清潔，不得涂油漆，清潔時(shí)不得有任何損傷。必須保持良

16、好的水密性，否則將不能工作。（3）電源系統(tǒng)作用：將船電轉(zhuǎn)換為測(cè)深儀的工作電源，可采用變壓器、逆變器或變流機(jī)。2、回聲測(cè)深儀工作原理工作原理如框圖：顯示器中的脈沖觸發(fā)器以脈沖重復(fù)頻率產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)和發(fā)射系統(tǒng)工作；發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生具有一定功率和寬度的電脈沖送到發(fā)射換能器；發(fā)射換能器將電脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波脈沖向海底發(fā)射，經(jīng)海底反射回來的超聲波回波被接收換能器所接收，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送到接收系統(tǒng)；接收系統(tǒng)將來自接收換能器的回波信號(hào)放大處理后送到顯示器；顯示器的計(jì)時(shí)裝置計(jì)算超聲波脈沖的傳播時(shí)間t并轉(zhuǎn)換為水深h，以一定的方式顯示；電源系統(tǒng)供給各部分所需要的工作電源。3、回聲測(cè)深儀的使用 （1）回聲測(cè)

17、深儀的主要技術(shù)指標(biāo) 最大測(cè)深深度 由發(fā)射功率和發(fā)射脈沖的重復(fù)周期T決定，在發(fā)射功率足夠大的情況下，由脈沖重復(fù)周期T所決定。同時(shí)，還必須考慮工作頻率和發(fā)射功率的關(guān)系。hmax 750T 例：某船舶上的回聲測(cè)深儀的脈沖重復(fù)周期T設(shè)計(jì)為0.3s，其最大測(cè)深深度為225m；另一船舶上回聲測(cè)深儀的最大測(cè)量深度為400m，則其設(shè)計(jì)的脈沖重復(fù)周期T約為0.6s。 遠(yuǎn)洋船舶的最大測(cè)深400m以上，近海船舶的最大測(cè)深深200m。海洋測(cè)量船舶的最大測(cè)深200010000m以上。 最小測(cè)深深度由發(fā)射脈沖的寬度決定。hmin 750 例：某船舶回聲測(cè)深儀的脈沖寬度設(shè)計(jì)為0.2ms，其最小測(cè)深深度為0.15m，若某船上

18、回聲測(cè)深儀的最小測(cè)深深度為1m， 則其設(shè)計(jì)脈沖寬度為1.4ms?；芈暅y(cè)深儀的最小測(cè)量深度一般為0.1m1 m。 （3）脈沖重復(fù)頻率 每秒鐘發(fā)射脈沖的個(gè)數(shù)，它的倒數(shù)稱為脈沖重復(fù)周期T(pulse repetition period-PRP)，是決定回聲測(cè)深儀最大測(cè)深深度的因素之一，一般為0.3 s0.6s。（4）脈沖寬度 持續(xù)發(fā)射超聲波脈沖的時(shí)間稱為脈沖寬度。脈沖寬度越窄，最小測(cè)深深度越小，但脈沖寬度越窄往往平均發(fā)射功率越小，影響最大測(cè)深深度。 近海船舶回聲測(cè)深儀一般采用窄脈沖發(fā)射，其最小測(cè)深深度和最大測(cè)深深度都較小。 遠(yuǎn)洋船舶回聲測(cè)深儀一般采用較寬脈沖發(fā)射，其最小測(cè)深深度和最大測(cè)深深度都較大。 （5）工作頻率 超聲波的低頻段頻率即20KHz 60KHz，最大為200KHz。 （6）發(fā)射功率 是決定最大測(cè)深深度的因素之一，一般為幾十瓦至幾百瓦。 圖8-11回聲測(cè)深儀工作原理框圖五、自動(dòng)操舵儀 船舶在水面航行主要是依靠舵來控制航向。自動(dòng)操舵儀指代替舵手操舵，保證船舶自動(dòng)跟蹤指令航向，達(dá)到自動(dòng)保持與改變航向的目的。自動(dòng)操舵儀不僅可以減輕舵手的勞動(dòng)，而且在遠(yuǎn)航時(shí)，在相同的航行條件下可以減少偏航次數(shù)，減少偏航值和偏舵角，因而可提高實(shí)際航速，縮短航程和航行時(shí)間，節(jié)省燃料，提高經(jīng)濟(jì)效益。 以 THD2001A自動(dòng)